Estudo: as formigas criam túneis estáveis ​​em ninhos, assim como os humanos que brincam de jinga

As formigas são escavadoras incríveis, construindo ninhos elaborados em várias camadas, conectados por uma intrincada rede de túneis, às vezes atingindo profundidades de até 25 pés. Agora, uma equipe de cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia usou imagens de raios-X para capturar o processo de como as formigas constroem seus túneis. Os cientistas descobriram que as formigas evoluíram para sentir intuitivamente partículas de grãos que podem remover enquanto mantêm a estrutura estável, assim como remover blocos individuais em um jogo. Jenga. A equipe descreveu seu trabalho em novo papel Publicado em Proceedings of National Academy of Sciences.

Cientistas interessados ​​em comportamento coletivo estudam formigas há décadas. Isso ocorre porque as formigas, como um grupo, se comportam como uma forma de mídia granular. Poucas formigas espaçadas se comportam tão bem quanto as formigas individuais. mas Embale o suficiente deles Juntos e funcionando como uma unidade, eles exibem propriedades sólidas e líquidas. Você pode despejar formigas de fogo de um bule, por exemplo, ou as formigas podem se unir para construir torres flutuantes ou jangadas. As formigas podem ser pequenas criaturas com cérebros pequenos, mas esses insetos sociais são capazes de Organizam-se coletivamente Em uma comunidade altamente eficiente para garantir a sobrevivência da colônia.

Vários anos atrásBiólogo comportamental Guy Theraolase do Instituto de Estudos Avançados de Toulouse, França, e vários colegas combinaram experimentos de laboratório com formigas argentinas e modelagem por computador para Defina três regras simples Controlando o comportamento de formigas em túneis de escavação. Para inteligência: (1) as formigas pegam os grãos a uma taxa constante (cerca de 2 grãos a cada minuto); (ii) As formigas preferem lançar seus grãos perto de outros grãos para formar plumas; e (3) as formigas geralmente selecionam grãos marcados com um feromônio químico depois que outras formigas os tratam. Theraolase e outros. Ele construiu uma simulação de computador com base nessas três regras e descobriu que depois de uma semana, as formigas virtuais construíram uma estrutura muito semelhante a formigueiros reais. Eles concluem que essas regras surgem de interações locais entre formigas individuais, sem a necessidade de coordenação central.

Recentemente, um papel 2020 eu achei aquilo dinâmica social O modo como a divisão do trabalho emerge em uma colônia de formigas é semelhante a como a polarização política se desenvolve nas redes sociais humanas. As formigas também são excelentes para regular seu próprio fluxo de tráfego. uma Estudo 2018 Por Daniel Goldman, o grupo da Georgia Tech pesquisou como as formigas de fogo podem melhorar os esforços de construção de túneis sem causar engarrafamentos. como nós somos Eu mencionei naquela época, o grupo concluiu que quando uma formiga encontra um túnel no qual outras formigas já estão correndo, ela se retira para encontrar outro túnel. E apenas uma pequena parte da colônia escava por vez: 30% deles fazem 70% do trabalho.

O grupo de locomoção biológica de David Ho na Georgia Tech também estudou formigas de fogo. em 2019, Ele e seus colegas relataram Que as formigas de fogo puderam sentir ativamente as mudanças nas forças que atuam em sua jangada flutuante. As formigas reconhecem diferentes condições para o fluxo do fluido e podem adaptar seu comportamento de acordo para manter a estabilidade da jangada. Um remo se movendo pela água do rio criará uma série de redemoinhos (conhecidos como vórtices de derramamento), fazendo com que as jangadas das formigas girem. Esses vórtices também podem exercer forças adicionais na jangada, o suficiente para separá-la. As mudanças nas forças centrífugas e nas forças de cisalhamento que atuam na jangada são muito pequenas – talvez 2 a 3% da força gravitacional normal. No entanto, de alguma forma, as formigas podem sentir essas pequenas mudanças em seus corpos.

Este último artigo enfoca as formigas colhedoras ocidentais (Pogonomyrmex occidentalis), foi escolhido devido à sua capacidade prolífica de cavar os grãos do solo na escala milimétrica. O coautor Jose Andrade, engenheiro mecânico da Caltech, se inspirou a explorar formigas escavadoras depois de ver exemplos de Arte do ninho de formigas. As peças são criadas despejando algum tipo de metal fundido, gesso ou cimento no formigueiro, que flui por todos os túneis e eventualmente se solidifica. O solo circundante é então removido para revelar a estrutura complexa final. Andrade ficou tão impressionado que começou a se perguntar se as formigas realmente “sabem” como desenterrar aquelas estruturas.

Andrade colaborou com o bioengenheiro da Caltech Joe Parker no projeto; A pesquisa de Parker se concentra nas relações ecológicas das formigas com outras espécies. “Não entrevistamos nenhuma formiga para perguntar se sabiam o que estavam fazendo, mas começamos com a premissa de que estavam cavando de forma deliberada”, Andrade disse. “Presumimos que as formigas estivessem brincando Jenga. “

Em outras palavras, os pesquisadores suspeitaram que as formigas vagueiam pelo solo em busca de grãos soltos para remover, da mesma forma que as pessoas procuram por torrões soltos para removê-los. Jenga torre, deixando as peças críticas do rolamento no lugar. Esses blocos fazem parte do que é conhecido como “corrente de força” que une blocos (ou partículas granulares de solo, no caso de um formigueiro) para criar uma estrutura estável.

Para seus experimentos, Andrade e seus colegas misturaram 500 ml de solo koekret com 20 ml de água e colocaram a mistura em vários pequenos copos de solo. O tamanho dos copos foi escolhido pela facilidade com que cabem no scanner de TC. Por tentativa e erro – começando com uma única formiga e aumentando gradualmente o número – os pesquisadores determinaram o número de formigas necessárias para atingir a taxa de escavação ideal: 15.

A equipe levou quatro minutos e meio a cada 10 minutos enquanto as formigas cavavam um túnel para monitorar seu progresso. A partir das imagens 3D resultantes, eles criaram um “avatar digital” para cada parte da amostra, capturando a forma, a posição e a orientação de cada conta – tudo o que pode afetar muito a distribuição de forças nas amostras de solo. Os pesquisadores também foram capazes de aprender a ordem em que cada conta era removida pelas formigas, comparando imagens tiradas em diferentes estados no tempo.

As formigas nem sempre eram cooperativas quando se tratava de cavar seriamente seus túneis. ‘Eles são meio imitados’ Andrade disse. “Eles cavam quando querem. Colocávamos essas formigas em um contêiner e algumas começavam a cavar imediatamente e fariam um progresso incrível. Mas outras – levariam horas e não cavariam. Alguns cavariam por um enquanto e depois pare e descanse. ”

Andrade e Parker observam alguns padrões emergentes em suas análises. Por exemplo, as formigas costumam cavar ao longo das bordas internas das xícaras – uma estratégia eficaz, pois as laterais das xícaras podem fazer parte da estrutura dos túneis, poupando um pouco do esforço das formigas. As formigas também preferiram as linhas retas de seus túneis, técnica que melhora a eficiência. As formigas costumavam cavar seus túneis com a maior força possível. Tanto quanto possível, em um meio granular como o solo é chamado de “ângulo de descanso”; Exceda esse ângulo e a estrutura entrará em colapso. De alguma forma, as formigas podem sentir esse limite crítico, certificando-se de que seus túneis não vão além do ângulo de descanso.

Para a física básica, a equipe descobriu que quando as formigas removeram os grãos do solo para cavar seus túneis, as correntes de força que agiam na estrutura se reorganizaram a partir de uma distribuição aleatória para formar uma espécie de revestimento ao redor do túnel externo. Essa redistribuição de forças fortalece as paredes do túnel existentes e alivia a pressão que os grãos exercem no final do túnel, tornando mais fácil para as formigas removerem esses grãos para estender o túnel ainda mais.

“É um mistério tanto para a engenharia quanto para a ecologia das formigas como as formigas constroem essas estruturas com décadas de idade”, disse ele. Parker disse. “Acontece que, ao remover o grão neste padrão que observamos, as formigas estão aproveitando essas cadeias de força oceânica à medida que se enterram.” As formigas pressionam os grãos individuais para avaliar as forças mecânicas exercidas sobre eles.

Parker acha que é uma espécie de algoritmo comportamental. Esse algoritmo não existe dentro de uma única formiga. Ele disse. “É o comportamento da colônia nascente de todas essas operárias que se comportam como superorganismos. Como esse programa comportamental se espalha pelo micro-cérebro de todas essas formigas é uma das maravilhas do mundo natural para a qual não temos explicação.”

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (Sobre DOIs)